Prozessüberwachung beim Scherschneiden im offenen Schnitt. Analyse von Festkörperschwingungen und akustischer Emission zur Überwachung

Inhaltsverzeichnis

Verzeichnis der Kurzzeichen

Verzeichnis der Abkürzungen

1 Einleitung

2 Stand der Forschung und Technik
2.1 Scherschneiden
2.1.1 Verfahrenseinteilung
2.1.2 Verfahrensablauf
2.1.3 Schnittflächenkenngrößen
2.1.4 Kräfte beim Scherschneiden
2.2 Verschleiß
2.2.1 Grundlagen
2.2.2 Verschleißmechanismen
2.2.3 Verschleißkenngrößen
2.3 Akustische Emission
2.3.1 Grundlagen Akustik
2.3.2 Schallemission
2.3.3 Anwendung in der Prozessüberwachung
2.4 Signalerfassung und Sensortechnik
2.4.1 Grundlagen
2.4.2 Beschleunigungssensor
2.4.3 Messmikrofon
2.5 Signalaufbereitung und -Analyse
2.5.1 Analog-Digital-Wandlung
2.5.2 Korrelationsfunktionen
2.5.3 Fourier-Transformation
2.5.4 Leakage-Effekt und Fensterfunktionen
2.5.5 Filter

3 Aufgabe
3.1 Problemstellung und Motivation
3.2 Ziel
3.3 Vorgehen

4 Versuchs- und Messeinrichtungen
4.1 Schnellläuferpresse
4.2 Versuchswerkzeug
4.3 Sensoren - Akustische Emission
4.4 Messcomputer und Messprogramm
4.5 Profilmessgerät
4.6 Auswerte- und Simulationstools

5 Versuchswerkstoffe
5.1 Werkzeugwerkstoff
5.2 Blechwerkstoffe
5.2.1 Mehrphasenstahl SZBS800
5.2.2 Edelstahl 1.4310

6 Versuchsdurchführung
6.1 Versuchsplan
6.2 Versuchsvorbereitungen
6.3 Auswertung der Verschleiß- und Schnittflächenkenngrößen
6.4 Dauerhubversuche
6.5 Unterbrochene Dauerhubversuche
6.6 Auswertung der akustischen Emission
6.7 Simulation der Eigenfrequenzen

7 Ergebnisse
7.1 Werkzeugverschleiß
7.2 Schnittflächenkenngrößen
7.3 Signale der Akustischen Emission
7.3.1 Dauerhubversuche
7.3.2 Konfiguration 1
7.3.3 Konfiguration 2
7.4 Schneid- und Querkräfte
7.5 Modalanalyse am Schneidwerkzeug

8 Zusammenfassung und Ausblick

A. Abbildungsverzeichnis

B. Tabellenverzeichnis

C. Literatur

D. Anhang

Vorwort

Die vorliegende Arbeit entstand am Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen (utg) der Technischen Universität München während meiner Tätigkeit als Masterand in der Zeit von Juli 2016 bis November 2016.

Herrn Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk, Ordinarius des Lehrstuhls für Umformtechnik und Gießereiwesen (utg) und Herrn Prof. i.R. Dr.-Ing. Hartmut Hoffmann danke ich für die Vergabe der Masterarbeit sowie für die angenehmen Rahmenbedingungen während des gesamten Bearbeitungszeitraums.

Mein besonderer Dank gilt Herrn Jens Stahl, M.Sc., für das gemeinsame Entwickeln der interessanten Aufgabenstellung und das mir entgegengebrachte Vertrauen. Als Betreuer stand Herr Stahl mir jederzeit mit kompetenten Anregungen und fachlicher Kritik, sowohl im theoretischen Teil, als auch bei der Durchführung der praktischen Untersuchungen und der Auswertung der Ergebnisse persönlich zur Seite und trug dadurch wesentlich zum Gelingen dieser Arbeit bei.

Ebenfalls bedanken möchte ich mich sowohl bei allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Lehrstuhls als auch bei den Studenten und Studentinnen für das offene und freundliche Arbeitsumfeld und die Unterstützung bei fachlichen Fragen meiner Arbeit.

Verzeichnis der Kurzzeichen

Formelzeichen Einheit Bedeutung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Verzeichnis der Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Die Anforderungen an die Sicherheit und Stabilität von Produktionsprozessen, die Bauteilqualität und die Sicherheit für Mensch und Umwelt nehmen in allen Industriebereichen unter Berücksichtigung hoher Wirtschaftlichkeit stetig zu. In der Serienfertigung kommen deshalb häufig automatisierte Prozesse, ohne direkten Einfluss des Bedienpersonals, zum Einsatz. Hochautomatisierte Prozesse erfordern allerdings zur Sicherstellung der notwendigen Teilequalität ständige Verbesserungen der Methoden auf dem Gebiet der Prozessüberwachung. (Haupt, 2003, S. 1)

Vom Rohmaterial bis hin zum Halbzeug oder Fertigteil durchlaufen beinahe alle metallischen Blechbauteile neben ur- und umformenden Fertigungsverfahren auch Trennprozesse. Das Scherschneiden stellt dabei auf Grund der großen möglichen Teilevielfalt und der hohen Qualität der Bauteile bei großer Stückzahl und hervorragender Wirtschaftlichkeit das bedeutendste Verfahren im Bereich der Trennverfahren dar.

Um das Gewicht von Bauteilen zu reduzieren, werden besonders im Automobilbau zunehmend höchstfeste Blechwerkstoffe eingesetzt. Damit kann bei reduziertem Bauteilgewicht dennoch höchste Stabilität gewährleistet werden. Die höheren Festigkeiten der verwendeten Werkstoffe führen allerdings auch zu höheren Belastungen der Werkzeuge im Fertigungsprozess. Mit frühzeitigem Werkzeugversagen, z.B. durch Verschleiß, nehmen die Standzeit und damit die Wirtschaftlichkeit der Verfahren rapide ab. Der Zustand der Werkzeuge steht in direktem Zusammenhang mit der Qualität der produzierten Bauteile. Mangelhafte Bauteilqualität erfordert entweder eine aufwändige und damit kostenintensive Nacharbeit oder führt zum Ausschuss der bereits produzierten Teile. Daher sind Kenntnisse über Werkstoffe, Verfahren und deren Wechselwirkungen sowie geeignete Methoden zur Prozess- und Verschleißüberwachung unerlässlich.

In der Großserienfertigung werden fehlerhafte Bauteile bzw. Schäden an den Werkzeugen häufig erst durch stichprobenartige Kontrollen abseits der laufenden Produktion entdeckt. Zunehmend wird jedoch eine 100 %‑Sichtkontrolle kritischer Bauteilmerkmale, wie beispielsweise der Höhe des Schnittgrats, gefordert. Mit steigender Stückzahl in der Stanztechnik sind diese Kontrollen allerdings nicht mehr in einem wirtschaftlich vertretbaren Rahmen möglich. Daher besteht die Notwendigkeit neue, innovative Methoden für die Online‑Prozessüberwachung aufzuzeigen. (Herres, 1991, S. 1–2), (Behrens, Santangelo und Buse, 2013, S. 423)

Für die Online‑Überwachung von Zerspanungsprozessen kommen bereits Methoden der Analyse der akustischen Emission zum Einsatz. Auf Grund der Schwierigkeiten bei der physikalischen Interpretation der Messdaten ist die Akzeptanz in der Industrie allerdings noch nicht flächendeckend verbreitet. In der Regel wird die akustische Emission bzw. die Analyse der auftretenden Schwingungen deshalb als Ergänzung zu anderen Messdaten, wie beispielsweise den vorliegenden Prozesskräften, herangezogen. Voraussetzung für eine sensorgestützte Überwachung der Prozesse ist, dass die qualitätsbestimmenden Merkmale eines Bauteils mit messbaren Prozessgrößen korrelieren und dadurch eine möglichst quantitative Bewertung der Merkmalsänderungen möglich wird. (Scheer, 2000, S. 1), (Herres, 1991, S. 1–2)

Vor diesem Hintergrund sollen in dieser Arbeit grundlegende Untersuchungen zur Prozess- und Verschleißüberwachung anhand der akustischen Emission beim Scherschneiden im offenen Schnitt durchgeführt werden. In Kombination mit den vorherrschenden Prozesskräften sollen dabei Korrelationen zwischen Werkzeugverschleiß, Bauteilqualität, Hubzahl und akustischer Emission gefunden und aufgezeigt werden.

2 Stand der Forschung und Technik

2.1 Scherschneiden

2.1.1 Verfahrenseinteilung

Die Einteilung der Fertigungsverfahren erfolgt in DIN 8580 in die sechs Hauptgruppen Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Stoffeigenschaften ändern (Abbildung 2‑1). Innerhalb der Hauptgruppen werden die Fertigungsverfahren in Gruppen gegliedert. Neben dem Spanen mit geometrisch bestimmten und unbestimmten Schneiden ist hier das Abtragen, Zerlegen und Reinigen aufgeführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-1: Einteilung der Fertigungsverfahren in DIN 8580, nach (Deutsches Institut für Normung e. V., 09.2003a)

In der Gruppe 3.1 ist das Zerteilen beschrieben und in DIN 8588 als mechanisches Trennen ohne die Entstehung von formlosem Stoff definiert. Das Zerteilen umfasst die Untergruppen Scherschneiden, Messerschneiden, Beißschneiden, Spalten, Reißen und Brechen. Unter Scherschneiden versteht man nach DIN 8588 das Zerteilen von Werkstücken durch zwei Schneiden, die sich während des Schneidvorgangs aneinander vorbeibewegen. Die Komponenten, die sich auf das Werkzeug beziehen, werden mit der Vorsilbe „Schneid‑“, Komponenten am Werkstück werden dagegen mit „Schnitt‑“ verknüpft. (Deutsches Institut für Normung e. V., 09.2003a) Die Schneidkante befindet sich demnach am Werkzeug, während die Schnittfläche am Werkstück zu finden ist (Hoffmann, Spur und Neugebauer, 2012, S. 681). Das Scherschneiden wird wiederum in mehrere Unterverfahren unterteilt. Der wichtigste Vertreter ist das einhubige Scherschneiden, das auch in dieser Arbeit zur Anwendung kommt und daher im Weiteren vereinfacht als Scherschneiden bezeichnet wird. Eine weitere Einteilung ist nach der Werkstückform bzw. dem Verwendungszweck möglich. Eines der wichtigsten und für diese Arbeit das relevanteste Verfahren ist das Abschneiden. Das Abschneiden ist durch vollständiges Trennen eines Halbfertig- oder Fertigteils vom Rohteil oder Halbfertigteil längs einer offenen Schnitt-linie definiert. Zusätzlich kann die Einteilung nach den kinematischen Beziehungen getroffen werden. Für die vorliegende Arbeit ist dabei das vollkantig, drückende Scherschneiden von Bedeutung. In diesem Fall wirken die Schneiden von Beginn an in voller Länge der Schnittlinie und die Bewegung zwischen Werkzeug und Werkstück erfolgt in der Schneidebene senkrecht zur Schneidkante. (Deutsches Institut für Normung e. V., 09.2003b)

Für den Schneidprozess wird das Blech vom Coil oder von Platinen bzw. Streifen zwischen die Aktivelemente geführt und durch den sogenannten Niederhalter fixiert. Der Niederhalter verhindert zusätzlich das Abheben des Blechs während eines Umform- bzw. Trennvorgangs. Die Aktivelemente werden auch als Schneidstempel bzw. Stempel und Matrize oder Schneidplatte bezeichnet. (Nothhaft, 2014, S. 3–4), (Deutsches Institut für Normung e. V., 09.2003b) Daneben ist im offenen Schnitt auch die Bezeichnung Obermesser (Stempel im geschlossenen Schnitt) und Untermesser (Matrize im geschlossenen Schnitt) gebräuchlich. (Bednarz, 2014, S. 3) Zum Trennen des Werkstoffes ist ein Versatz zwischen den Aktivelementen erforderlich. Der sogenannte Schneidspalt ist in der VDI-Richtlinie 3368 als gleichmäßiger Abstand zwischen den Schneidkanten von Stempel und Matrize bei eingetauchtem Stempel definiert. Der Schneidspalt ist ein wichtiger Faktor für den Verschleiß der Aktivelemente. Zur besseren Vergleichbarkeit wird der Schneidspalt in der Regel auf die Blechdicke s bezogen angegeben und als relativer Schneidspalt urel bezeichnet. Ungleichmäßigkeiten im Schneidspalt führen zu Querkräften, die den Verschleiß erhöhen. Typische Werte für den Schneidspalt liegen im Bereich zwischen 5 % und 15 % der Blechdicke. (Verein Deutscher Ingenieure, 05/1982), (Hoffmann, Spur und Neugebauer, 2012, S. 681)

2.1.2 Verfahrensablauf

Das Scherschneiden wird in mehrere, in der Regel fünf, charakteristische Phasen eingeteilt (Abbildung 2‑2). In Phase 1 klemmt der Niederhalter das Blech gegen die Matrize mit einer definierten und konstanten Kraft, der Niederhalterkraft FNH, ein. Über einen Versatz zwischen Niederhalter und Stempel wird sichergestellt, dass der Stempel zeitverzögert und mit einer festgelegten Geschwindigkeit auf der Blechoberseite aufsetzt. (Hoffmann, Spur und Neugebauer, 2012, S. 682), (Bednarz, 2014, S. 5)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-2: Phasen des Scherschneidprozesses mit den Bewegungsrichtungen von Niederhalter und Stempel, nach (Siegert, 2015, S. 229)

Durch das Aufsetzen des Stempels beginnt die elastische Deformation des Blechs (Phase 2) und die Stempelkraft induziert ein in der Blechebene tangential zur Schnittlinie wirkendes Biegemoment. Der Kontaktbereich zwischen Blechoberseite und Stempelstirnfläche wird dadurch auf eine geringe Kontaktzone im Bereich der Schneidkante reduziert. Der Niederhalter verhindert ab dieser Phase das Abheben des Blechs außerhalb des Bereichs der Schnittlinie. Zusätzlich werden die Niederhalterfedern und das System aus Werkzeug und Presse durch die fortschreitende Stößelbewegung vorgespannt. Die dabei entstehende Energie wird in Form von elastischer Energie gespeichert. In Phase 3 erzeugen die Druckkraft vom Stempel auf die Blechoberseite und die entsprechende Gegenkraft von der Matrize auf die Blechunterseite vermehrt Spannungen im Blechwerkstoff im Bereich der Schneidkanten. Mit Erreichen der Fließgrenze des Blechwerkstoffes geht die elastische Verformung in eine plastische Werkstoffverformung über und der Blechwerkstoff fließt unter der Stempelstirnfläche in dessen Bewegungsrichtung. Durch Nachfließen des Blechwerkstoffes in den Schneidspalt, bilden sich in dieser Phase die in Abbildung 2‑4 dargestellten Schnittflächenkenngrößen Kanteneinzug und Glattschnitt. (Hoffmann, Spur und Neugebauer, 2012, S. 682)

Erreichen die Schubspannungen die werkstoffabhängige Schubbruchgrenze bzw. Bruchfestigkeit, treten erste Risse im Blech auf (Phase 4). Der Entstehungsort der ersten Risse ist abhängig vom Verfahren. Die Unterschiede zwischen geschlossenem Schnitt (Ausschneiden, Lochen) und offenem Schnitt (Abschneiden) sind in Abbildung 2‑3 dargestellt. Unter der Voraussetzung gleich scharfer Schneidkanten von Stempel und Matrize gehen die Risse im geschlossenen Schnitt von der Matrizenstirnfläche aus, da hier die Überlagerung aus Blechbiegung und Werkstoffstreckung zu einer höheren Belastung führen. An der Blechoberseite werden die Zugspannungen aus der Werkstoffstreckung teilweise von den Druckspannungen des Stempels kompensiert. (Hoffmann, Spur und Neugebauer, 2012, S. 681–683), (Siegert, 2015, S. 227–229)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-3: Abgrenzung zwischen offener und geschlossener Schnittlinie mit der jeweiligen Durchbiegung des Blechs und dem Ort der Rissinitiierung, nach (Nothhaft, 2014, S. 13)

Im Gegensatz dazu beginnt die Rissinitiierung beim offenen Schnitt in der Regel an der Blechoberseite. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Blech im offenen Schnitt nicht symmetrisch nach unten abgestützt wird. Daraus resultiert eine erhöhte Biegung des Blechs um eine parallele Achse zur Schnittlinie. Die Überlagerung aus Werkstoffverformung mit den höheren Biegezugspannungen an der Blechoberseite und den Biegedruckspannungen an der Blechunterseite führen zur früheren Rissentstehung an der Blechoberseite beim offenen Schnitt. (Nothhaft, 2014, S. 13–14) Die abweichenden Biegungen sind in Abbildung 2‑3 zu erkennen. Die Risse führen mit weiterer Ausbreitung zum vollständigen Trennen des Blechs. Nach der vollständigen Werkstofftrennung in Phase 5 erfolgt der Rückhub des Stempels und des Niederhalters. Die während Phase 2 und Phase 3 im Blech und dem System aus Werkzeug und Presse gespeicherte elastische Energie wird durch das Trennen des Blechs schlagartig frei und bewirken dadurch eine Rückfederung des Bleches und eine Schwingungsanregung der Presse, insbesondere des Stößels. Die Schwingungen beeinflussen die Maßhaltigkeit des Bauteils und der Schnittflächen und wirken dadurch auf den Verschleiß des Stempels beim Rückzug an der Mantelfläche (vgl. Abschnitt 2.2). (Doege und Behrens, 2010, S. 368–376). Im offenen Schnitt erzeugt die Freisetzung der elastischen Energie in dieser Phase eine Rückfederung des Obermessers durch die entstehenden Querkräfte im Schneidspalt. (Bednarz, 2014, S. 7–8)

2.1.3 Schnittflächenkenngrößen

Die charakteristische Schnittfläche jedes schergeschnittenen Bauteils entsteht während Phase 3 und Phase 4 des Schneidvorgangs (vgl. Abschnitt 2.1.2). Die Beurteilung der Bauteilqualität erfolgt über die Maßhaltigkeit der Schnittlinie und über die Ausprägung der Schnittflächen. (Hoffmann, Spur und Neugebauer, 2012, S. 683) Dazu werden in der VDI-Richtlinie 2906 Kenngrößen angegeben, mit denen Schnittflächen quantitativ bewertet und untereinander verglichen werden können. Es ist zu beachten, dass den Schnittflächenkenngrößen keine allgemeine Bedeutung in Bezug auf die erreichte Bauteilqualität zugewiesen werden kann. In der Regel stehen ein geringer Kanteneinzug, eine geringe Bruchfläche und ein kleiner Schnittgrat bei gleichzeitig großem Glattschnittbereich und einem Bruchflächenwinkel von 90° für eine hohe Schnittflächen- bzw. Bauteilqualität. Die Bedeutung ergibt sich erst durch die Anforderungen an ein spezielles Bauteil und dessen späteren Einsatzzweck. Stellt die Schnittfläche eine Funktionsfläche dar, so ist ein möglichst hoher Glattschnitt zu erreichen. Steht die Prozesssicherheit im Fokus, ist eine geringe Schnittgrathöhe anzustreben. Die geometrischen Beziehungen an der Schnittfläche sind in Abbildung 2‑4 dargestellt. (Siegert, 2015, S. 229)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-4: Schnittflächenkenngrößen beim Scherschneiden mit beeinflusster Randzone aus VDI-Richtlinie 2906, nach (Verein Deutscher Ingenieure, 05/1984), (Panico, 2012, S. 5)

Um auch die Schnittflächenqualität von Bauteilen mit unterschiedlicher Blechdicke miteinander vergleichen zu können, werden die Höhen von Kanteneinzug hE, Glattschnitt hS, Bruchfläche hB und Schnittgrat hG bezogen auf die Blechdicke s in Prozent angegeben. Werden die bezogenen Kenngrößen gebraucht, kommen die Begriffe Glattschnittanteil und Bruchflächenanteil zum Einsatz. (Siegert, 2015, S. 229–230)

Die Schnittflächenqualität wird vor allem durch folgende Faktoren beeinflusst:

- Relativer Schneidspalt urel
- Verschleiß von Stempel und Matrize
- Blechdicke s
- Blechwerkstoff

Daneben werden noch weitere Einflussgrößen, wie die Bauteilgeometrie, die Werkzeugführung und die Schneidgeschwindigkeit angegeben. (Verein Deutscher Ingenieure, 05/1984)

Der Kanteneinzug entsteht während Phase 3 des Schneidvorganges durch das Nachfließen des Blechwerkstoffes in den Schneidspalt. Eine zunehmende Schneidkantenverrundung z.B. durch Verschleiß, wirkt sich vergrößernd auf den Kanteneinzug aus. Dies ist auf einen größeren effek­tiven Schneidspalt zu Beginn des Schneidvorgangs zurückzuführen. Dadurch steht eine größere Werkstoffmenge bzw. ein größeres Werkstoffvolumen für die Bildung des Kanteneinzugs zur Verfügung. (Hoffmann, Spur und Neugebauer, 2012, S. 683–685), (Siegert, 2015, S. 229–230) Zusätzlich steigt mit zunehmender Duktilität des Blechwerkstoffes der Kanteneinzug an. Der Kanteneinzug geht mit fortschreitendem Schneidweg in den Glattschnitt über. Der Glattschnitt ist durch eine glatte Scherfläche gekennzeichnet und ist im Wesentlichen von der Größe des relativen Schneidspaltes abhängig. Für einen möglichst hohen Glattschnittanteil ist ein Schneidspalt von weniger als 4 % zu wählen. (Verein Deutscher Ingenieure, 05/1984) Die Bruchfläche entsteht in Phase 4 des Schneidvorgangs mit Erreichen des maximalen Formänderungsvermögens des Blechwerkstoffes und ist um den Bruchflächenwinkel β gegenüber der Blechoberfläche geneigt. Das Verhältnis von Glattschnitt und Bruchfläche ist von der Größe des Schneidspaltes und dem Formänderungsvermögen des Werkstoffes abhängig. Mit zunehmendem Schneidspalt wird der Bruchflächenanteil größer, da durch einen zunehmenden hydrostatischen Spannungszustand mit höheren Zugspannungen die Rissinitiierung begünstigt wird. Zusätzlich vergrößern spröde Werkstoffe die Bruchfläche durch ein geringeres Formänderungsvermögen. Bei einem zu klein gewählten Schneidspalt laufen die Risse aneinander vorbei. Dadurch kommt es zu einer sogenannten Zipfelbildung, die durch die Bildung eines Werkstoffstegs im Bereich der Bruchfläche gekennzeichnet ist. An den Stegen wird der Werkstoff erneut geschert. Die Folge sind mehrere Bruchflächen, die durch Glattschnittbereiche unterbrochen werden. (Hoffmann, Spur und Neugebauer, 2012, S. 683–685) Die Bruchfläche geht in den Schnittgrat über. Dieser ist an Bauteilen meist unerwünscht, da ein großer Schnittgrat mit aufwändigen Nacharbeiten verbunden ist. Je nach Anforderungen an die Bauteilqualität oder Richtlinien des Herstellers oder Kunden führt ein großer Schnittgrat zu Teilen, die nicht weiter verwendet werden können oder aufwendig nachbearbeitet werden müssen. Zusätzlich gefährdet der Schnittgrat die Prozesssicherheit, begünstigt die Korrosionsanfälligkeit der Bauteile und erhöht das Verletzungsrisiko der Mitarbeiter. Der Schnittgrat entsteht während Phase 3 und Phase 4 des Schneidvorganges. Die Ausprägung des Schnittgrats ist abhängig vom Verschleißzustand der Aktivelemente und dem Schneidspalt. Mit zunehmendem Verschleiß findet die Rissbildung nicht mehr ausgehend von den Schneidkanten, sondern ausgehend von den Mantelflächen statt. Neben den genannten Kenngrößen ist im Bereich der beeinflussten Randzone ein Härteanstieg des Blechwerkstoffes auf Grund der wirkenden Kaltverfestigung festzustellen (vgl. Abbildung 2‑4). (Hoffmann, Spur und Neugebauer, 2012, S. 683–685), (Siegert, 2015, S. 229–230)

2.1.4 Kräfte beim Scherschneiden

Die verschiedenen Phasen des Scherschneidens aus Abschnitt 2.1.2 zeigen sich in ähnlicher Weise auch im Kraftverlauf. In Abbildung 2‑5 ist ein typischer Schneidkraftverlauf während eines Pressenhubes in Abhängigkeit des Pressenkurbelwinkels dargestellt. Der Kurbelwinkel bestimmt die Eindringtiefe des Schneidstempels während des Schneidvorgangs. Das Aufsetzen des Niederhalters in Phase 1 ist in dieser Darstellung aufgrund der Position des zur Aufzeichnung verwendeten Kraftsensors außerhalb des Niederhalterkraftflusses nicht zu erkennen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-5: Schematische Darstellung des Schneidkraftverlaufs anhand der fünf Phasen des Scherschneidvorgangs, nach (Hirsch, 2012, S. 7)

Erst mit Beginn von Phase 2 steigt die Schneidkraft durch die elastische Deformation des Blechs unter der Wirkung des Stempels an. Die Steigung der Schneidkraft verläuft dabei analog zur Hookeschen‑Geraden. Die Niederhalterfedern werden weiter vorgespannt und die elastische Energie wird im Werkzeug und der Presse gespeichert. Nach dem Erreichen der Fließgrenze des Werkstoffs führt die plastische Deformation in Phase 3 zu einem degressiven Kraftverlauf. Dies ist auf zwei gegeneinander wirkende Effekte zurückzuführen. Zum einen kommt es in Folge der Umformung im Bereich der beeinflussten Randzone zu einer Kaltverfestigung des Werkstoffes (vgl. Abbildung 2‑4). Dadurch steigen der Schneidwiderstand und damit die Schneidkraft an. Zum anderen nimmt der kraftübertragende Restquerschnitt mit fortschreitendem Hubweg ab, wodurch die benötigte Schneidkraft sinkt. Bis zu einem maximalen Wert der Schneidkraft Fs,max dominiert der Effekt der Kaltverfestigung. Danach überwiegen die Auswirkungen des verbleibenden Restquerschnittes. Mit der ersten Rissbildung beim Erreichen des Formänderungsvermögens des Werkstoffes geht Phase 3 in Phase 4 über. Die vollständige Blechtrennung führt zu einem schlagartigen Abfall der Schneidkraft. Die abrupte Entlastung der Presse setzt die gespeicherte elastische Energie aus Werkzeug und den Komponenten der Presse frei. Die induzierte Schwingung entspricht dem Verhalten einer entlasteten Feder. Die Eigenschaften der Feder werden durch die Eigenfrequenzen des Werkzeugs und des Pressensystems festgelegt. Dieser unerwünschte Effekt ist als Schnittschlag bekannt. Auf Grund des verlängerten Reibweges erhöht sich der abrasive Verschleiß am Stempel während des Rückhubes in Phase 5. Zusätzlich führt ein möglicher Kontakt zwischen Stempel und Matrize zu verstärktem Verschleiß. Um die Auswirkungen auf die Aktivelemente sowie Schäden an der Maschine zu verhindern, werden in der Praxis zum Teil Schnittschlagdämpfer eingesetzt. (Hoffmann, Spur und Neugebauer, 2012, S. 687–689), (Siegert, 2015, S. 235–236)

Für das Trennen des Werkstoffes während des Schneidvorgangs ist eine Kraftwirkung notwendig. Kenntnisse über die auftretenden Kräfte sind für die Wahl oder die Auslegung der Maschine und des Werkzeuges von entscheidender Bedeutung. In der Realität beeinflussen eine Reihe verschiedener Faktoren die Schneidkraft:

- Blechdicke s
- Schnittlinienlänge ls
- Schneidwiderstand ks
- Zustand und Beschaffenheit der Schneidkanten, Schmierung
- Größe des relativen Schneidspalts urel

Die Berücksichtigung aller Faktoren ist in der Praxis allerdings auch mit einem unverhältnismäßig hohen Rechenaufwand verbunden. Üblicherweise wird daher überschlägig mit der Schneidkraftformel aus Gleichung 2.1 gerechnet, die als Produkt aus Schnittfläche As und Schneidwiderstand ks definiert ist. (Lange und Liewald, 2013, S. 116–118), (Klocke und König, 2006, S. 453–455)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Über die Schnittlinienlänge ls und die Blechdicke s wird die Schnittfläche berechnet. Der Schneidwiderstand ist sowohl vom Blechwerkstoff als auch von geometrischen Größen abhängig und setzt sich aus dem bezogenen Schneidwiderstand cs und der Zugfestigkeit des Blechwerkstoffes Rm zusammen. Der bezogene Schneidwiderstand ist ein empirisch ermittelter Wert und wird von der Blechdicke und dem bezogenen Schneidspalt beeinflusst. Ein größerer Schneidspalt und ein dickeres Blech haben jeweils eine Abnahme des bezogenen Schneidwiderstandes zur Folge (Hoffmann, Spur und Neugebauer, 2012, S. 686–687). Typischerweise wird in erster Näherung ein Wert von cs = 0,8 angenommen. Der Wert schwankt in Abhängigkeit von der Festigkeit des Werkstoffes im Bereich von cs = 0,6 bis 0,9. Für spröde Werkstoffe mit hoher Zugfestigkeit wird ein geringerer Wert für den bezogenen Schneidwiderstand verwendet, bei duktilen Werkstoffen mit geringer Zugfestigkeit dagegen ein höherer Wert. (Hellwig, 2009, S. 20–22)

Die Schneidkraft wird von der Presse über den Stempel in das Blech eingeleitet. Abbildung 2‑6 zeigt die eingeleitete Kraft Fs, die Reaktionskraft der Matrize auf das Blech Fs‘ und die zugehörigen Kraftkomponenten in horizontaler und vertikaler Richtung.

Die Teilkomponenten der Kraft ergeben sich stempelseitig zur vertikalen Komponente FV und zum horizontalen Anteil FH. An der Matrize wirken die entsprechenden Reaktionskräfte FV‘ und FH‘. Die vertikalen Komponenten erzeugen über den schneidspaltabhängigen Hebel l ein Moment, das zu einer Durchbiegung des Blechs unter der Stempelstirnfläche führt. Ein gleichgroßes Gegenmoment bewirkt ein Abheben des Blechs von der Stirnfläche der Matrize. (Hoffmann, Spur und Neugebauer, 2012, S. 685) Daher werden Stempel und Matrize nur in einem kleinen Bereich, ausgehend von den Schneidkanten, belastet. Die fortschreitende Hubbewegung verursacht über die horizontalen Kraftkomponenten in Kombination mit der Reibzahl µ die Reibkräfte µF H, µF H‘. Die vertikale Komponente FV bewirkt das Fließen des Werkstoffes und dabei eine Reibkraft an der Stirnfläche des Stempels µF V. Matrizenseitig wirkt die Reibkraft µF V‘ auf die Stirnfläche. (Hoffmann, Spur und Neugebauer, 2012, S. 685)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-6: Zerlegung der Schneidkraft in Kraftkomponenten und deren Wirkung an Stempel, Matrize und Blech, nach (Hoffmann, Spur und Neugebauer, 2012, S. 685)

2.2 Verschleiß

2.2.1 Grundlagen

Die Gesellschaft für Tribologie definiert in Arbeitsblatt 7 Verschleiß als fortschreitenden Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers durch Kontakt und Relativbewegung. Dabei bewirkt der mechanische Kontakt des festen Körpers eine tribologische Beanspruchung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers. Das tribologische System (Tribosystem) beinhaltet alle in Kontakt stehenden Komponenten und deren Eigenschaften und besteht im Allgemeinen aus Grundkörper, Gegenkörper, Zwischenstoff und Umgebungsmedium. Die Beanspruchungsgrößen werden in einem Beanspruchungskollektiv zusammengefasst. Beim Scherschneiden setzt sich das Tribosystem aus Stempel oder Matrize als Grundkörper, dem zu schneidenden Blech als Gegenkörper, dem eingesetzten Schmier- oder Verschleißschutzmittel als Zwischenmedium und der Umgebungsluft zusammen. Kräfte, Schneidgeschwindigkeiten, Temperatur und Beanspruchungsdauer bilden das Beanspruchungskollektiv. (Gesellschaft für Tribologie, 2002), (Nothhaft, 2014, S. 15–16)

2.2.2 Verschleißmechanismen

Die physikalischen und chemischen Vorgänge, die den Verschleiß verursachen, werden als Verschleißmechanismen bezeichnet. Dabei treten je nach Beanspruchungskollektiv und Eigenschaften des Tribosystems unterschiedliche Mechanismen auf, die zu Stoff- und Formänderungen der Reibpartner führen und dadurch den Werkzeugzustand beeinflussen (Nothhaft, 2014, S. 17). Im Folgenden werden die Hauptverschleißmechanismen Abrasion, Adhäsion, Oberflächenermüdung und Tribochemische Reaktion erläutert. Abbildung 2-7 zeigt schematisch die unterschiedlichen Mechanismen mit Beispielen der jeweiligen Erscheinungsform. Die einzelnen Mechanismen können dabei häufig nicht getrennt voneinander betrachtet werden. In einem Verschleißfall kann durch Veränderung des Beanspruchungskollektivs der wirkende Mechanismus geändert werden oder mehrere Mechanismen gleichzeitig überlagert wirken. (Gesellschaft für Tribologie, 2002).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-7: Hauptverschleißmechanismen Abrasion, Adhäsion, Oberflächenzerrüttung und tribochemische Reaktion, nach (Czichos und Habig, 2015, S. 133)

Abrasion

Abrasion tritt vor allem bei Reibpartnern mit unterschiedlicher Härte und Oberflächenrauhigkeiten auf. Bei einer Relativbewegung bewirken harte Partikel, die sich zwischen den Reibpartnern befinden und in die Oberfläche des anderen Reibpartners eindringen, einen Materialabtrag an der Oberfläche. (Czichos und Habig, 2015, S. 137) Beim Scherschneiden entsteht mit der Verwendung von hoch- und höchstfesten Blechwerkstoffen mit steigender Zugfestigkeit und Dehngrenze hauptsächlich Abrasion. Die mangelnde Oberflächenhärte der Schneidaktivelemente führt zu einem Materialabtrag durch Rauheitsspitzen des Blechs oder freie Partikel. Um den abrasiven Verschleiß zu reduzieren, ist daher ein möglichst harter Werkstoff für die Aktivelemente zu wählen. Auf Grund der Versprödung des hochfesten Werkstoffes können Abplatzungen oder Ausbrüche zu sofortigem, frühzeitigem Werkzeugversagen führen. Ein zu weicher Werkstoff bewirkt jedoch starken Verschleiß und verstärkt die plastischen Deformationen. Der Werkstoff für die Aktivelemente sollte daher einen Kompromiss aus Härte und Zähigkeit darstellen. (Hoffmann, Spur und Neugebauer, 2012, S. 689)

Adhäsion

Adhäsion tritt auf, wenn infolge hoher lokaler Pressungen vereinzelt schützende Oberflächenschichten an Oberflächenrauheitshügeln aufgebrochen werden und dabei Grenzflächenbindungen entstehen. Bei metallischen Kontaktpartnern wird daher auch der Begriff Kaltverschweißen verwendet. Die kaltverschweißten Bereiche können eine höhere Festigkeit als der Grundwerkstoff der Reibpartner aufweisen. Bei einer Relativbewegung erfolgt die Werkstofftrennung daher nicht in der verschweißten Kontaktzone, sondern im angrenzenden Werkstoffvolumen des Kontaktpartners mit der geringeren Festigkeit. An der Oberfläche des Blechwerkstoffs entstehen schalenförmige Abplatzungen und an den Aktivelementen sind Kaltaufschweißungen die Folge. Bei Kaltaufschweißungen wird der weichere Blechwerkstoff auf die Oberfläche der härteren Aktivelemente übertragen (Hoffmann, Spur und Neugebauer, 2012, S. 690). Beim Schneiden von Metallen, insbesondere Aluminium, kann in Folge von Kaltaufschweißungen sogenannter Flitter gebildet werden. Flitter entstehen durch das Herausbrechen von Blechwerkstoff durch die harten Kaltverschweißungen der Aktivelemente. Neben Kaltverschweißen ist daher auch der Begriff Fressen gebräuchlich. Adhäsion wird durch die chemische Ähnlichkeit der Kontaktpartner und durch hohe Reibkoeffizienten begünstigt. Beim Scherschneiden tritt die Adhäsion besonders bei der Verarbeitung dicker, weicher und weichgeglühter Bleche auf. Zusätzlich verstärkt ein kleiner Schneidspalt den adhäsiven Verschleiß. (Nothhaft, 2014, S. 19)

Oberflächenzerrüttung / Oberflächenermüdung

Unter Oberflächenzerrüttung oder Oberflächenermüdung wird die Ermüdung und Rissbildung oberflächennaher Bereiche in Folge tribologischer Wechselbeanspruchung verstanden. Ermüdungsverschleiß entsteht durch Kräfte, die bei der Relativbewegung in den Kontaktbereichen von den Kontaktpartnern aufgenommen werden müssen. Wird ein Schmierstoff eingesetzt, so erfolgt die Kraftübertragung über den Schmierfilm zwischen den Reibpartnern. Liegt Festkörperreibung vor, werden die Normal- und Tangentialkräfte von den Kontaktpartnern aufgenommen. (Gesellschaft für Tribologie, 2002) Beim Scherschneiden sind die Aktivelemente besonders von Oberflächenzerrüttung betroffen, da durch die Hubbewegung eine periodische Beanspruchung erfolgt und die Schadensakkumulation eine Werkstoffermüdung verursacht. (Czichos und Habig, 2015, S. 134–135)

Tribochemischer Verschleiß

Der tribochemische Verschleiß wird durch chemische Reaktionen von Grund- und Gegenkörper mit dem angrenzenden Zwischen- oder Umgebungsmedium hervorgerufen. Dabei ist die chemische Reaktion eine Folge der tribologischen Beanspruchung der Oberflächen oder wird durch diese verstärkt. Bei der Relativbewegung der Kontaktpartner entstehen dadurch ständig weitere Reaktionsprodukte, die im weiteren Verlauf der Bewegung wieder abgerieben werden. In den oberflächennahen Bereichen der Kontaktstellen können durch die chemischen Reaktionen bei metallischen Werkstoffen Oxidinseln entstehen, die nur bedingt mechanische Spannungen durch plastischen Deformation abbauen können. Oxidinseln neigen mit Erreichen einer kritischen Größe zum Ausbrechen, wodurch Verschleißpartikel entstehen. Ein wichtiger Einflussparameter bei tribochemischen Reaktionen stellt der Luftsauerstoff und die Luftfeuchtigkeit dar. (Czichos und Habig, 2015, S. 142–143) In der Arbeit von Hammer und Cha wurden unter anderem die Auswirkungen des tribochemischen Verschleißes beim Scherschneiden auf den Gesamtverschleiß untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass durch Eliminierung des Luftsauerstoffs aus der Umgebungsluft der Werkzeugverschleiß hinausgezögert werden kann. (Hammer et al., 2016)

2.2.3 Verschleißkenngrößen

Die Bauteilqualität hängt unter anderem vom Zustand der Aktivelemente bzw. dem Verschleißfortschritt der Schneidkanten ab. In Abhängigkeit vom Entstehungsort werden drei Erscheinungsformen des Verschleißes unterschieden:

- Stirnflächenverschleiß
- Kolkverschleiß
- Mantelflächenverschleiß

Verschleißkenngrößen bieten eine Möglichkeit zur quantitativen Beurteilung des Verschleißzustandes der Aktivelemente. In Abbildung 2‑8 sind die Verschleißkenngrößen schematisch dargestellt. Neben den eindimensionalen Verschleißlängen an Stirn- und Mantelfläche, werden zweidimensionale Verschleißflächen betrachtet. Die Bestimmung der Mantel- bzw. Stirnflächenverschleißlänge erfolgt über taktile Vermessung der Schneidkanten. Daraus werden rechnerisch die jeweiligen Verschleißflächen und der 45°-Verschleiß ermittelt. Stirnflächenverschleiß entsteht durch hohe Flächenpressung und Relativbewegung der Werkzeugstirnfläche und der Blechoberfläche bei vorwiegend dünnen Blechen mit einer Blechdicke s < 2 mm. Kolkverschleiß, der zusammen mit dem Stirnflächenverschleiß auftritt, resultiert aus lokalen Temperaturerhöhungen, die durch die Relativbewegung zu Mikrozerspanungen des Blechwerkstoffs führen. (Lange und Liewald, 2013, S. 136), (Hoffmann, Spur und Neugebauer, 2012, S. 691), (Klocke und König, 2006, S. 458–459)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-8: Verschleißkenngrößen der Aktivelemente mit Stirnflächenverschleiß und Mantelflächenverschleiß am Beispiel des Stempels, nach (Panico, 2012, S.19)

Mantelflächenverscheiß entsteht am Schneidstempel überwiegend durch Reibungsvorgänge in Folge der Schwingungen des Blechs nach dem Schnittschlag in Kombination mit der Flächenpressung zwischen Mantelfläche und Blech durch Abrasion und Adhäsion während des Stempelrückzugs. Im Gegensatz zum geschlossenen Schnitt, ist der Mantelflächenverschleiß an der Matrize beim offenen Schnitt geringer ausgeprägt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass beim offenen Schnitt das Schnittteil nicht durch den Matrizenkanal gedrückt werden muss. (Toussaint, 2000), (Hoffmann, Spur und Neugebauer, 2012, S. 691) Die 45°-Verschleißlänge beschreibt den Abstand zwischen der unverschlissenen Schneidkante und dem Profil des verschlissenen Aktivelements in einem Winkel von 45° zur Mantel- und Stirnfläche. (Nothhaft, 2014, S. 23), (Toussaint, 2000)

2.3 Akustische Emission

2.3.1 Grundlagen Akustik

Unter dem Begriff Akustik wird im Allgemeinen die Lehre vom Schall verstanden. In der technischen Akustik sind bei Untersuchungen vor allem die Eigenschaften, Entstehung, Ausbreitung, Messung und Anwendung von Schall von Interesse. Schall bzw. Schallwellen sind mechanische Schwingungen, die sich in elastischen Medien ausbreiten. Je nach Ausbreitungs- bzw. Übertragungsmedium wird zwischen Luft-, Flüssigkeits- und Körperschall unterschieden. In dieser Arbeit liegt der Fokus der Untersuchungen auf Luft- und Körperschall. Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal für Schall ist die Frequenz. In Tabelle 2‑1 sind die Bezeichnungen der Frequenzbereiche aufgelistet. (Lerch, Sessler und Wolf, 2009, S. 1–5) Für diese Arbeit sind besonders der Hörschallbereich und Bereiche des Ultraschalls relevant.

Tabelle 2-1: Frequenzbereiche der Akustik vom niederfrequenten Infraschall bis zum hochfrequenten Hyperschall, nach (Lerch, Sessler und Wolf, 2009, S. 1–5)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In der Schallmesstechnik werden typischerweise viele Größen nicht absolut, sondern bezogen auf einen Referenzwert als sogenanntes Pegelmaß oder Pegel angegeben. Bestimmt wird der Pegel nach Gleichung 2.2 als 20-facher dekadischer Logarithmus des Quotienten einer Messgröße A2 und einer zugehörigen Bezugsgröße A1. Als Einheit wird das dimensionslose Dezibel (dB) angegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Neben der Frequenz ist die wichtigste Größe zur Beurteilung des Schalls der Schalldruck. Der Schalldruck ist definiert als die Abweichung des Drucks des bewegten Mediums von dessen Ruhelage und wird in der Einheit Pascal angegeben (1 Pa = 1 N/m²). Der statische Luftdruck beträgt im Mittel ca. 101 325 Pa. Der vom menschlichen Ohr wahrnehmbare Bereich des Schalldrucks p liegt im Bereich von ca. 10-5 Pa (Flüstern) bis ca. 50 Pa (Presslufthammer). Da die Druckschwankungen, die durch den Schall verursacht werden, im Vergleich zum statischen Luftdruck gering sind, wird der Schalldruck als Pegelmaß angegeben. Der sogenannte Schalldruckpegel ergibt sich nach Gleichung 2.2. Für eine Beurteilung der Höhe des Schalldrucks wird ein Referenzwert benötigt, der als der Schalldruck an der Hörschwelle p0 bei 1 kHz definiert ist. (Lerch, Sessler und Wolf, 2009, S. 7–10).

2.3.2 Schallemission

Nach DIN EN 13554 werden unter dem Begriff Schallemission oder akustische Emission alle Phänomene zusammengefasst, die durch transiente, elastische Wellen innerhalb eines Werkstoffes oder durch einen Prozess hervorgerufen werden. Der Frequenzbereich der Wellen reicht vom hörbaren Schall (ca. 20 Hz – ca. 20 kHz) bis zu einigen Megahertz. Als physikalische Ursachen werden unter anderem plastische Verformung, Rissinitiierung, Risswachstum, Rissausbreitung, Korrosion, impulsartige Stoßbelastungen und Reibung genannt. (Deutsches Institut für Normung e. V., 04.2011), (Deutsches Institut für Normung e. V., 01.2016), (Boos, 2015, S. 5–7)

Im Inneren fester Körper finden unter dem Einfluss mechanischer Belastungen elastische und plastische Verformungsvorgänge statt. Diese führen unter Zunahme der quasistatischen Belastung zu sprunghaften Zustandsänderungen. Dabei wird durch Versetzungsmechanismen, Zwillingsbildung, Phasenumwandlung, Rissentstehung und Risswachstum sowie Bruch- und Reibungsvorgänge Energie freigesetzt. Die Impulse, die durch die mechanische Belastung hervorgerufen werden, breiten sich durch die elastischen Eigenschaften des Körpers in Form transienter Wellen bis an dessen Oberfläche aus und werden von der Oberfläche an das Umgebungsmedium als Luftschall abgegeben. (Klingel, 2002, S. 53–54), (Herres, 1991, S. 58–63) Die Wellen werden dabei nach der Form und dem Ausbreitungsort bzw. der Ausbreitungsrichtung in Raum‑, Oberflächen‑, Biege‑ und Torsionswellen unterteilt. Raumwellen breiten sich ausgehend von der Quelle kugelförmig mit einem longitudinalen und einem transversalen Anteil durch den Festkörper aus. Beim longitudinalen Anteil entspricht die Ausbreitungsrichtung der Welle der Schwingungsrichtung. Die Geschwindigkeit der Ausbreitung ist stark vom Elastizitätsmodul, der Querkontraktionszahl und der Dichte des Materials abhängig. Im Unterschied dazu verläuft die Ausbreitungsrichtung von transversalen Wellen senkrecht zur Schwingungsrichtung. Erreichen Raumwellen die Oberfläche des Körpers bzw. Bauteils, entstehen Ober-flächenwellen. (Möser und Kropp, 2010) Über geeignete Sensoren, wie beispielsweise piezo-elektrische Beschleunigungssensoren (vgl. Abschnitt 2.4.2) oder Messmikrofone (vgl. Abschnitt 2.4.3), können die Schwingungen an der Werkzeugoberfläche und die durch die Luft übertragenen Druckunterschiede erfasst werden.

Akustische Emissionen lassen sich nach Abbildung 2-9 grundsätzlich in zwei Erscheinungsformen unterteilen. Die kontinuierlichen Emissionen entstehen durch plastische Verformung, Fließvorgänge und Reibung des Werkstoffes. Die Schallimpulse treten dabei in kurzer Abfolge nacheinander auf, sodass die Messungen einem stationären Rauschvorgang mit niedriger Amplitude und hoher Frequenz entsprechen. Im Gegensatz dazu verursachen Rissbildung, Rissausbreitung und Bruchvorgänge eine impulsförmige Freisetzung der Energie und Übertragung an das umgebende Material. Diese sogenannten Bursts oder Burst-Emissionen sind niederfrequente Schwingungen mit hoher Amplitude und einer sinusförmig abklingenden Form. (Herres, 1991, S. 58–63)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-9: Erscheinungsformen der akustischen Emission: a) Stoßartiges Signal mit erkennbarem Anfang und Ende. b) kontinuierliche Emission ohne erkennbare Grenzen, nach (Deutsches Institut für Normung e. V., 01.2016)

Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Anzahl der auftretenden Bursts mit der Entstehung und Ausbreitung von (Mikro‑) Rissen innerhalb des Werkstoffes korrelieren. Daher kommt die Analyse von Burst-Emissionen bei der zerstörungsfreien Rissprüfung von Werk­stücken und Bauteilen zum Einsatz. (Klingel, 2002, S. 53–54), (Herres, 1991, S. 58–63)

Beim Scherschneiden entstehen akustische Emissionen während der verschiedenen Phasen des Prozesses in Form von Körper- und Luftschall. Im Gegensatz zur zerstörungsfreien Prüfung von Bauteilen, können die Sensoren zur Erfassung der akustischen Emission allerdings nicht direkt am Werkstück - dem Blech - angebracht werden. Die Sensoren werden deshalb an einer zugänglichen Werkzeugoberfläche montiert und erfassen die Emissionen, die vom Werkstück während des Prozesses emittiert und über die Werkzeugelemente weitergeleitet und übertragen werden. Im idealen Fall eines unendlich ausgedehnten, elastischen, homogenen und isotropen Mediums bzw. Körpers breiten sich die Wellen mit einer frequenzabhängigen Ausbreitungsgeschwindigkeit kugelförmig ausgehend von der Quelle aus. In der Realität wird das Signal von den Komponenten innerhalb der Übertragungsstrecke stark beeinflusst und verändert. Freie Oberflächen, wie z.B. an den Fügestellen der einzelnen Werkzeugkomponenten bewirken Oberflächenwellen, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit in etwa der Hälfte der ursprünglichen Raumwellen entsprechen. Zusätzlich wird die Amplitude durch den Wegfall einer Dimension im Vergleich zu Raumwellen stärker beeinflusst. Die Kombination dieser Effekte führt zu einer Dispersion, also einer Verzerrung der Wellenform. (Scheer, 2000, S. 4–5) Das Signal wird dabei von der Quelle bis zur Erfassung durch den Sensor durch verschiedene Faktoren beeinflusst. Der Schneidprozess beeinflusst über Umformgrad, Umformgeschwindigkeit, Eindringtiefe und Belastungszustand zum Zeitpunkt der Rissentstehung im Bereich der Scherzone die Fähigkeit des Systems in Form einer Schwingungsbeschleunigung auf die Belastung zu reagieren. Je größer diese Faktoren, desto größer wird der Widerstand und dadurch die Schallintensität. Zudem begünstigt eine größere Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück bei zunehmender Eindringtiefe die Schallübertragung in die angrenzenden Werkzeugkomponenten. Die Dämpfung der Wellen ist abhängig von den mechanischen und chemischen Eigenschaften von Blech- und Werkzeugwerkstoff. Korngrenzen, Risse oder Einschlüsse im Gefüge des Werkstoffes führen zu Reflexion, Brechung und Streuung der Schallwellen. Zusätzlich wird die Schallübertragung durch die Zahl, Anordnung, Abmessung und Geometrie der Werkzeugelemente und den Abstand zwischen Schallquelle und Messort beeinflusst. Die Amplitude der Schallwellen verringert sich frequenzabhängig mit zunehmendem Abstand. Je größer dabei die Frequenz, desto stärker ist die Dämpfung. Jede Fügestelle zwischen den übertragenden Werkzeugelementen, inklusive der Ankopplung des Sensors an das Werkzeug, weißt mechanisches Tiefpassverhalten auf. In der Literatur wird in Abhängigkeit der Baugröße eine Ankopplung des Sensors über eine Schraub- oder Klebeverbindung empfohlen. (Herres, 1991, S. 59–62)

2.3.3 Anwendung in der Prozessüberwachung

Die bisherigen Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Analyse der akustischen Emission erstrecken sich von der Qualitätskontrolle von Bauteilen bis zur Prozessüberwachung in der Fertigung sowie der Montage.

In der Arbeit von Herres zur Prozessüberwachung beim Feinschneiden werden die Möglichkeiten zur indirekten Qualitätskontrolle durch Auswertung von Werkzeugkräften und der akustischen Emission untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass es prinzipiell möglich ist, die einzelnen Phasen beim Scherschneiden anhand der akustischen Emissionen zu identifizieren und zu analysieren. Ein besonderer Fokus der Arbeit lag bei der Rissentstehung und -ausbreitung. Hierbei wurde ein Zusammenhang zwischen dem Zeitpunkt der Rissentstehung und der Amplituden bzw. des Frequenzspektrums der akustischen Emissionen festgestellt. Duktile Werkstoffe zeigen bei der Rissentstehung und -ausbreitung höhere Amplituden im Frequenzspektrum. Die Frequenzen der Rissentstehung lagen bei ca. 25 kHz. Als Grund für die höheren Amplituden vermutet Herres die größere Kontaktfläche zwischen Stempelmantelfläche und Schnittteil während der Umformung durch das größere Formänderungsvermögen duktiler Werkstoffe. Dadurch wird die Übertragung des emittierten Schalls bzw. der Schwingungen an die umgebenden Werkzeugkomponenten verstärkt. (Herres, 1991)

In der Arbeit von Haupt wurde ein auf der Schallemissionsanalyse basierendes Verfahren zur Risserkennung in Umformprozessen entwickelt. Dabei konnte gezeigt werden, dass Rissereignisse während des Umformprozesses charakteristische Schwingungen mit system- und umformgradabhängigen Frequenzen hervorrufen. (Haupt, 2003)

Den Zusammenhang zwischen Schädigungen während der Massivumformung von Stahlwerkstoffen und den dabei freigesetzten Schallemissionen untersuchte Buse anhand des Herstellungsprozesses von Antriebswellen für die Kraftfahrzeugindustrie. Die Ergebnisse zeigen, wie bereits Herres für das Feinschneiden, die Möglichkeit der Zuordnung der Rissentstehung und Rissausbreitung zu bestimmten Ereignissen der Schallemissionen. (Buse, Santangelo und Behrens, 2014)

In der Fügetechnik untersuchte Klingel die Einsatzmöglichkeiten der Analyse von akustischen Emissionen zur Entwicklung neuartiger Anziehverfahren hochfester Schraubverbindungen. (Klingel, 2002)

Neue Möglichkeiten zur Überwachung transienter Fertigungsprozesse sowie zur Schadensfrüherkennung und Qualitätsbewertung von Bauteilen lieferte Reimche mit der Analyse kurzzeitiger Vorgänge beim Präzisionsschmieden. (Reimche et al., 2012)

Auf ähnliche Weise wurde in der Arbeit von Böhm basierend auf der Weg-, Körperschall- und Schallemissionstechnik eine Analysemethode zur Beurteilung von transienten Präzisionsschmiedevorgängen entwickelt. (Böhm et al., 2015) Das Schmieden ist aus fertigungstechnischer Sicht dem Scherschneiden durch die impulsartigen Belastungen während des Prozesses sehr ähnlich.

In der Fachliteratur wird die Analyse von Schallemissionen und Schwingungen am Werkzeug und der Presse als mögliches Verfahren zur Überwachung des Verschleißzustandes der Aktivelemente angegeben; allerdings mit dem Hinweis, dass diese Methoden in der Praxis noch keine Verbreitung gefunden haben. (Hellwig, 2009, S. 249)

Die dargestellten Forschungsarbeiten geben lediglich einen Überblick über die Einsatzmöglichkeiten von akustischer Emission bzw. der Schallemissionsanalyse in der Überwachung von Fertigungsprozessen. Allerdings liegen die Schwerpunkte vor allem auf den Hauptgruppen Umformen und Fügen. Da bis auf die Ergebnisse von Herres auf dem Gebiet des Feinschneidens in der Literatur keine Arbeiten im Bereich des spanlosen Trennens oder Scherschneiden bekannt sind, besteht hier weiterer Forschungsbedarf.

2.4 Signalerfassung und Sensortechnik

2.4.1 Grundlagen

Ein Sensor ist ganz allgemein eine in sich geschlossene Komponente der Messkette, die am Eingang eine Messgröße aufnimmt und am Ausgang ein Messsignal liefert. Die Messgröße ist dabei entweder eine physikalische, chemische oder biologische Größe. Das Messsignal wird in Form einer elektrischen Größe, meist elektrische Spannung, am Ausgang ausgegeben. Die Messgröße und das Messsignal stehen dabei in einem definierten, idealerweise linearen Zusammenhang. (Tränkler und Reindl, 2014, S. 3–6)

Der Messbereich ist der Bereich eines Signals, der durch den Sensor erfasst werden kann. Über die Sensorkennlinie wird ein linearer Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsgröße des Sensors hergestellt. Als Genauigkeit wird die maximale Abweichung zwischen den idealen und den gemessenen Werten verstanden. Die Steigung der Kennlinie wird als Empfindlichkeit des Sensors bzw. als Übertragungsfaktor bezeichnet. Bei linearen Sensoren ist die Empfindlichkeit unabhängig von der Messgröße konstant. Ist die Ausgangsgröße eine Spannung, dann ist die Empfindlichkeit ein Maß für die Größe der Spannung, die der Sensor bei einer bestimmten Messgröße, beispielsweise Schalldruck oder Beschleunigung, abgibt. (Tränkler und Reindl, 2014, S. 3–6) Als Maß für die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber Störgrößen wird die Querempfindlichkeit aufgeführt. Die Querempfindlichkeit ist eine unerwünschte Eigenschaft und sollte möglichst gering sein oder durch geeignete Maßnahmen kompensiert werden. Häufig ist eine Querempfindlichkeit gegenüber der Temperatur bei Sensoren vorhanden. (Sautter und Weinerth, 1993, S. 854)

2.4.2 Beschleunigungssensor

Das Funktionsprinzip des in dieser Arbeit verwendeten Beschleunigungssensors beruht auf dem Piezoelektrischen Effekt. Piezoelektrische Sensoren werden eingesetzt um Kräfte, Drehmomente, Dehnungen, Druck oder Beschleunigungen zu messen. Ein Vorteil dieser Sensoren besteht in der hohen mechanischen Steifigkeit. Dadurch ist es möglich dynamische Änderungen einer Messgröße bis in höchste Frequenzbereiche zu erfassen. Beschleunigungssensoren sind mit einem Messbereich von 5 g bis 100.000 g erhältlich. Für die Aufbereitung des erzeugten elektrischen Signals wird dem eigentlichen Sensor eine Elektronik nachgeschaltet. Ist diese Elektronik im Gehäuse integriert, handelt es sich um Sensoren mit Spannungsausgang. Aufnehmer mit einem externen Ladungsverstärker werden dagegen als Sensoren mit Ladungsausgang bezeichnet. (Laible, 2006, S. 95)

Piezoelektrizität entsteht bei verschiedenen Materialien, sogenannten piezoelektrischen Materialien wie z.B. Quarz, Turmalin oder verschiedene Keramiken. Die Grundlagen zur Messung des Effekts zeigt die Darstellung in Abbildung 2‑10 a). Der Aufbau entspricht grundsätzlich einem Plattenkondensator mit zwei gegenüberliegenden Elektroden. In Folge einer äußerlich angreifenden Kraft F führt die Deformation des Kristallgitters des piezoelektrischen Materials zu einer Verschiebung der positiv und negativ geladenen Gitterbausteine. (Laible, 2006, S. 96–99) Die Ladungsverschiebung hat einen Ladungsunterschied an der Oberfläche des Materials zur Folge, der an den Elektroden in Form der Spannung U abgegriffen werden kann. (Thümmel, 2014, S. 38) Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer bestehen, wie in Abbildung 2‑10 b) dargestellt, grundsätzlich aus einem Gehäuse (Deckel, Boden, Sockel), einem piezoelektrischen Material (Piezokeramik) und einer seismischen, also trägen Masse. Über die Buchse wird das erzeugte elektrische Signal mit einem geeigneten Anschlusskabel abgegriffen. Für die Befestigung des Sensors ist herstellerabhängig eine Gewindebohrung im Boden des Sensorgehäuses vorgesehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-10: Piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer: a) Piezoelektrischer Effekt anhand der Piezoscheibe, b) Wirkprinzip eines piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmers, c) schematischer Aufbau des Sensors mit den wichtigsten Komponenten, nach (Metra Meß- und Frequenztechnik in Radebeul e.K., 2012, S. 5–8)

Damit das piezoelektrische Material Ladung erzeugen kann, muss die zu messende physikalische Größe eine Kraft erzeugen und damit zur Deformation des Piezoelements führen. Die Zusammenhänge sind in Abbildung 2‑10 c) aufgeführt. Eine Seite der Piezokeramik ist mit der seismischen Masse, die andere Seite mit dem starren Gehäuse verbunden. Die Keramik wirkt wie ein Kondensator mit zwei gegenüberliegenden Elektroden. Wird die seismische Masse über mechanische Schwingungen in Bewegung versetzt, leitet diese eine Kraft an die Piezokeramik weiter. Bei Beschleunigungssensoren erfolgt die Umwandlung der Beschleunigung a in eine Kraft F über das zweite Newton‘sche Gesetz in Gleichung 2.3 mit der konstanten seismischen Masse m.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die zur Beschleunigung proportionale Kraft führt über den Piezoelektrischen Effekt zu einer Spannung an den Elektroden. (Haupt, 2003, S. 16), (Metra Meß- und Frequenztechnik in Radebeul e.K., 2012) Die seismische Masse bildet zusammen mit dem schwingenden Objekt auf dem der Beschleunigungssensor montiert ist und dem Piezoelement ein Feder-Masse-Dämpfer-System zweiter Ordnung mit Tiefpassverhalten und linearem Frequenzbereich. (Haupt, 2003, S. 16)

2.4.3 Messmikrofon

Ein Mikrofon ist ganz allgemein ein Schallwandler, der den Schall möglichst signalgetreu in eine elektrische Spannung wandelt. Die Wandlung wird in zwei Stufen durchgeführt. Die erste Stufe wandelt das Schallsignal über eine Membran in eine mechanische Schwingung. In der zweiten Stufe, dem sogenannten Wandler, wird die mechanische Bewegung der Membran in eine elektrische Spannung transformiert. (Görne, 1994, S. 37–38) Die Schallemissionen in dieser Arbeit wurden mit einem Elektret-Kondensatormikrofon erfasst. Eine nähere Beschreibung des verwendeten Mikrofons mit den speziellen Eigenschaften ist in Abschnitt 4.3 ausgeführt. Der Aufbau eines (Elektret-) Kondensatormikrofons basiert auf dem Prinzip des Plattenkondensators. Die dem Schall zugewandte Elektrode des Kondensators ist eine ca. 10 µm dicke Membran. Die Gegenelektrode besteht aus einer dünnen, gelochten Metallplatte. Die Kombination aus Membran und Gegenelektrode bildet die sogenannte Mikrofonkapsel. Während bei einem reinen Kondensatormikrofon die Luft im Spalt zwischen Membran und Gegenelektrode als Dielektrikum dient, kommt bei Elektret-Mikrofonen ein Elektret zum Einsatz. Dieser Werkstoff hat die Eigenschaft, die elektrische Polarisation beizubehalten, nachdem dieser einem starken elektrischen Feld ausgesetzt wurde. Der Elektret-Werkstoff wird, je nach Anforderung, entweder auf die Membran oder die Gegenelektrode aufgebracht.

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